Detlev Majewski, Deutscher Wetterdienst, Research and Development

Detlev Majewski, Deutscher Wetterdienst, Research and Development

Der Deutsche Wetterdienst (DWD) und das Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M) entwickeln seit einigen Jahren den neuen nichthydrostatischen multi-Skalen Modellierungsrahmen („Modelling Framework“) ICON („ICOsahedral Nonhydrostatic“). Beim DWD wird ICON mit einer Maschenweite von 13 km (und 6.5 km über Europa; Abb. 1) ab dem 4. Quartal 2014 die operationellen Wettervorhersagemodelle GME (Maschenweite 20 km) und COSMO-EU (7 km) ablösen. Beim MPI-M bildet ICON mit einer atmosphärischen und ozeanischen Komponente den Kern des höher auflösenden neuen Erdsystemmodells. Universitäten und Forschungseinrichtungen können ICON ab Mitte 2014 für wissenschaftliche Untersuchungen erhalten.

Die gemeinsame ICON-Entwicklung erlaubt es dem DWD und MPI-M

  • das Know-how in globaler und regionaler Modellierung von Wetter und Klima in Deutschland zu bündeln und Synergien gezielt zu nutzen,
  • nahtlose Vorhersagesysteme („Seamless Prediction“) von der Kürzestfrist- über die Kurzfristvorhersage, saisonalen und dekadischen Vorhersage bis hin zur Klimaprojektion perspektivisch vorzubereiten,
  • Modellierung und Datenassimilation enger zu koppeln, beispielsweise für die Entwicklung von Ensemble-basierten Verfahren, für die Assimilation von Fernerkundungsdaten oder für die Erstellung von Re-Analysen,
  • moderne Supercomputer mit vielen hunderttausend Rechenkernen effizienter zu nutzen.

ICON benutzt zur Gittergenerierung wie das operationelle Globalmodell GME des DWD einen in die Erdkugel platzierten Ikosaeder, was zu einer Makrotriangulierung der Kugeloberfläche in 20 gleichseitige sphärische Dreiecke führt. Das Zielgitter wird durch weitere sukzessive Unterteilung der Dreiecke erzeugt. Die Gitterstruktur wird programmtechnisch als völlig unstrukturiert behandelt, d.h. jede Dreiecksgitterzelle kennt nur ihre eigene Position und ihren Index sowie die Positionen und Indizes der direkten drei Nachbarzellen. Beliebige Teilgebiete können statisch höher aufgelöst werden, indem in ihnen die Maschenweite rekursiv halbiert wird.

Die atmosphärische Komponente von ICON basiert auf den voll-kompressiblen nichthydrostatischen Gleichungen, wobei die folgenden prognostischen Variablen für den dynamischen Kern gewählt wurden: Horizontale und vertikale Windkomponenten, Dichte und virtuelle potentielle Temperatur. Die numerische Diskretisierung der Modellgleichungen im Dreiecks-Arakawa C-Gitter beruht auf einer Kombination von Finite-Volumen- und Finite-Differenzen-Ansätzen.

Der dynamische Kern der Atmosphärenkomponente von ICON ist verknüpft mit physikalischen Parametrisierungspaketen für die Anwendungen „Wetter“ und „Klima“. Die Parametrisierungsschemata für die Wettervorhersage stammen überwiegend vom Globalmodell IFS des EZMW und dem Regionalmodell COSMO.

Im Rahmen einer Entwicklungspartnerschaft stellt das Institut für Meteorologie und Klimaforschung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) ein auf ICON basiertes, online gekoppeltes, operationell einsetzbares Chemie- und Aerosolmodell (ICON-ART) bereit, das der DWD zukünftig zur Vorhersage der Ausbreitung von Vulkanaschewolken und radioaktiven Luftbeimengungen nutzen möchte.

Wesentliche Entwicklungsarbeiten beim DWD umfassen derzeit die Kopplung von ICON an das variationelle Datenassimilationsverfahren 3D-Var und die Analyse der Bodenfelder sowie das Feintuning der physikalischen Parametrisierungen, um die Vorhersagequalität zu optimieren. Vergleichende Experimente von GME und ICON belegen, dass das Fehlerwachstum von ICON (rote Kurven in Abb.2) für alle Regionen deutlich geringer ist als das des GME.

ICON mit höher auflösendem Teilgebiet über Europa (als Ersatz für COSMO-EU).

ICON mit höher auflösendem Teilgebiet über Europa (als Ersatz für COSMO-EU).

Verifikation der Bodendruckvorhersagen von GME (blau) und ICON (rot) bis 168 h für Eu-ropa: Bias, absoluter und RMS-Fehler.

Verifikation der Bodendruckvorhersagen von GME (blau) und ICON (rot) bis 168 h für Eu-ropa: Bias, absoluter und RMS-Fehler.

Autoren:
Detlev Majewski*, Günther Zängl*, Marco Giorgetta** und Peter Korn**
*Deutscher Wetterdienst (DWD), Offenbach, Deutschland
**Max-Planck-Institut für Meteorologie (MPI-M), Hamburg, Deutschland

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